EP2996847B1 - Verfahren zum schneiden eines prozessguts unter anwendung von ultraschallenergie sowie schneidevorrichtung - Google Patents

Verfahren zum schneiden eines prozessguts unter anwendung von ultraschallenergie sowie schneidevorrichtung Download PDF

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EP2996847B1
EP2996847B1 EP14727426.0A EP14727426A EP2996847B1 EP 2996847 B1 EP2996847 B1 EP 2996847B1 EP 14727426 A EP14727426 A EP 14727426A EP 2996847 B1 EP2996847 B1 EP 2996847B1
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blade
frequency
frequencies
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cutting
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A O SCHALLINOX GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for cutting a process material, in particular food, such as meat, cheese, vegetables, bread or pasta, using ultrasound energy and a working according to this method cutting device having a blade which is acted upon by ultrasonic energy.
  • a cutting device in which a vertically vibrating saw blade is used for cutting.
  • the oscillation path and the oscillation frequency of the saw blade are variably adjustable within certain limits.
  • the saw blade is driven by a vibration motor integrated in the housing.
  • the vibration motor drives the saw blade so that it makes a constant movement up and down.
  • the path covered by the saw blade is adjustable between 1 / 10mm and 5mm.
  • the process material can be processed with a cutting device in which a knife with Ultrasonic energy is applied.
  • a device of this kind is known from [2], EP2551077A1 , known.
  • the ultrasound energy emitted by an ultrasound transducer is supplied to the knife via at least one arcuate, preferably U-shaped coupling element, which is welded on the one hand to the blade back of the blade and, on the other hand, is connected to the ultrasound transducer, for example via a threaded bore and a coupling screw.
  • the cutting device described allows compared to conventional systems to process a process material faster and more precise.
  • the user specifies in this cutting device the operating parameters that are used when using the knife. These operating parameters depend in particular on the process material, which is to be processed or cut into pieces.
  • the clock cycles are determined by means of which the knife is moved cyclically. Within one working cycle, the knife is either rotated once or moved back and forth. The clock cycles can only be increased within the range within which the quality of the executed cuts is guaranteed. As soon as deformations or cracks occur in the process material, the cutting speed must be reduced again.
  • quality defects can occur. If the user has coordinated the cutting processes to a process material and a first batch has been processed, quality defects may occur when processing another batch, if the latter has different properties.
  • the cutting device known from [2] can be equipped with a long knife which is held on both sides and moved upwards and downwards perpendicular to its orientation, in order to alternately cut a process material fed above and below the knife.
  • Such knives are expensive to manufacture and correspondingly expensive.
  • these knives can be used for a long time if used optimally. If, on the other hand, operating parameters are wrongly selected for a given process material, increased wear on this knife can occur. Device parts may heat up and defects may occur.
  • a machine tool which has a drive unit for ultrasonic excitation of a tool, wherein a device for outputting an information signal is provided, the frequency and / or amplitude of which is varied as a function of the operating parameters of the power tool.
  • a slight vibration of the handle portion which is felt by the user, can occur with a low amplitude, in order to impair the current operating state without affecting the handling of the power tool.
  • this solution can not be used for fully automatic production equipment.
  • the optimal frequency in terms of power is only generated once, while outside this frequency point many less suitable frequencies are generated.
  • the properties of the cutting device and the cutting properties of the blade therefore change during the frequency sweep.
  • the present invention is therefore based on the object to provide an improved method for cutting a process material using ultrasound energy and an improved cutting device with a blade, which operates according to this method.
  • the blade should be operated as constant as possible in an optimal operating point.
  • the blade should also be operated as gently as possible, so that stress and wear are avoided.
  • the cutting device should be able to operate with higher efficiency, in particular with higher clock cycles.
  • the process material should be able to be cut with high precision, high cycle rates and consistently high cutting quality.
  • the cut products, in particular food slices should have flat cut surfaces and uniform thicknesses. The precision is to be maintained even when the strength properties of the supplied food or parallel supplied food units change.
  • the method is used to operate a cutting device, which is provided for processing, in particular for cutting a process material and which has at least one blade, which is driven by a drive device and which is supplied via at least one energy converter and a coupling element of ultrasonic energy from an ultrasonic unit.
  • a control unit which controls the ultrasound unit such that the frequency of the ultrasound energy supplied via preferably only one coupling element of the blade is keyed between at least a first and a second operating frequency or the ultrasound energy of the blade via a first coupling element with a first operating frequency is preferably supplied via a second coupling element with a second operating frequency, which are fixed or each keyed between at least two frequency values or operating frequencies.
  • the inventive coupling of the ultrasonic energy allows the blade to cut the process material with little energy and virtually no effort.
  • the surface waves occurring on the blade separate the structure of the process material before the blade is guided deeper against the process material. This allows a rapid penetration of the blade, without deformations occur in the process material.
  • the blade can be moved back and forth or rotated in a plane that is perpendicular to the drive axis. Furthermore, combined cutting movements can be realized. For example, the blade is guided forward and then moved laterally. During the rotation of the blade, it does not have to be slowed down and accelerated again, but can be continuously rotated in the same direction without energy losses.
  • the control of the working cycles of the knife can thus be done in a simple manner by controlling a drive motor.
  • the maximum working frequency is not determined by the performance of the drive device, but by the maximum cutting speed, with the Blade can be passed through the process material. Since this maximum cutting speed is very high in the inventive application of ultrasonic energy, very high clock cycles can be achieved.
  • Any process material can be processed or cut with the cutting device.
  • foods e.g. Meat, bread, pasta, dairy products, paper, cardboard, plastic, metal, precious metals, e.g. Gold and silver, can be processed with this cutting device advantageous.
  • the application of ultrasonic energy for example at operating frequencies in the range of e.g. 30-40 kHz gives the inventively designed knife particularly advantageous properties.
  • the ultrasonic energy is preferably coupled via the large side surfaces of the blade back transverse to the cutting direction of the blade in the blade.
  • a blade facing the end of the coupling element is preferably perpendicular to the blade.
  • elastic waves result within and / or on the surface of the blade, which intensify towards the cutting edge.
  • Particularly advantageous waves result in a curved or curved configuration of the coupling element, which is preferably designed U-shaped.
  • the blade can only be provided with a cutting edge on one side or on opposite sides.
  • the cutting device is designed such that the blade can be moved or rotated in both directions and guided against a process material.
  • the drive shaft is mounted on at least one bearing element and connected to the drive shaft, which is directly or indirectly connected via drive elements, such as gears and timing belt, with a drive unit, such as an electric motor.
  • the drive shaft further carries the energy converter or the energy converter and the ultrasonic unit.
  • the energy converter connected to the coupling element for example a piezoelectric element, is rotated together with the drive shaft.
  • the ultrasonic unit is also connected to the drive shaft and rotatably supported.
  • Energy and / or control signals can be fed to the energy converter and / or the ultrasound generator or a control unit connected thereto and likewise held rotatably via an electrical coupling unit.
  • Control signals can also be transmitted via a radio interface, for example according to the Bluetooth method. Also possible is the optical transmission of control signals.
  • the ultrasonic energy is transmitted via a coupling element or via two coaxially aligned coupling elements, which are aligned perpendicular to the blade.
  • the coupling of ultrasonic energy via a coupling element or via a plurality of coupling elements can be carried out.
  • a coupling element is provided on each side of the blade.
  • the operating frequencies are selected taking into account the maximum values of the amplitudes, optionally the resonance frequencies, which occur when the blade penetrates into the process material.
  • an energy converter or sensor is preferably provided which detects the mechanical ultrasonic waves occurring on the blade and converts them into corresponding electrical signals which are evaluated, for example, in a signal processor.
  • the maximum values or the resonance frequencies are preferably determined while the process material is being cut. Based on the determined maximum values or resonant frequencies, the operating frequencies can be advantageously determined. If two or more maximum values or resonance frequencies, ie the global maximum and a local maximum of the measured amplitudes occur, the operating frequencies between these two resonance frequencies or maxima can be keyed over. In this case, the blade always works at resonance or at maximum values. If only a maximum occurs in the entire frequency response of the blade and in the work area, then a first operating frequency can be applied to the resonance frequency and a second operating frequency in the adjacent region of the resonance frequency such that only minimal losses occur in the second operating frequency. Alternatively, operating frequencies are selected, one on the lower and the other on the upper side of the resonant frequency.
  • the distances from the resonance frequency are selected in such a way, preferably the same or different, that the smallest possible losses occur and at the same time the required displacement of the standing waves or the wave nodes is achieved.
  • frequency intervals between the operating frequencies in a range of preferably 5 Hz to 10 kHz selected.
  • the keying between the first and the second operating frequency can take place symmetrically or asymmetrically in time. For example, during a longer first time interval, the preferred operating frequency and, during a shorter second time interval, the operating frequency that deviates from the resonant frequency or at which greater losses occur are selected.
  • the keying between the operating frequencies is carried out with a Umtastfrequenz, which is preferably in a range of 2 Hz to 500 Hz. All parameters, in particular the Umtastfrequenz are preferably selected depending on the consistency of the process material and / or the molecular structure of the process material and / or the cutting speed. Even at a high cutting speed, it can therefore be ensured that the intersection of two stationary working frequencies or the scanning of operating frequencies results in the cut being made correctly, without interfering vibration nodes occurring at the cutting area where the material is compressed and only separated with a delay. With soft process material a higher Umtastfrequenz is usually selected. On the other hand, a higher Umtastfrequenz is preferably selected even with crystalline process material.
  • measurements are carried out before and / or preferably during the cutting process.
  • the vibration behavior of the blade is determined, which results in the coupling of ultrasonic energy with a certain frequency.
  • the blade is connected directly or via one of the coupling elements to a sensor, preferably a transducer element, by means of which vibrations of the blade are detected, converted and transmitted as electrical signals to the control unit and evaluated there. In this way, the vibration behavior of the blade over the entire frequency range or work area can be determined.
  • the oscillation amplitude of the blade and / or the phase position of the vibrations of the blade with respect to a reference signal and / or the normally exponential decay of the vibrations of the blade are determined.
  • the ultrasonic waves emitted by the ultrasonic transducer serve as the reference signal.
  • Data are determined in particular for new or already determined resonant frequencies, operating frequencies and / or for new test frequencies.
  • a broadband pulse is delivered to the blade as a test signal, after which the resulting vibrations are measured.
  • a signal having a plurality of frequencies is applied to the blade, of which at least one is preferably the operating frequency.
  • the resulting oscillations which decay faster or slower, can be evaluated, for example, by means of a Fourier transformation in order to determine resonance frequencies and their amplitudes and decay rates.
  • the frequency response of a frequency sweep can be measured by passing through the relevant frequency range with an ultrasonic signal and recording the resulting vibrations.
  • the operating frequencies are set to these frequency values or moved into areas for the higher or maximum amplitudes and / or a lower phase shift and / or a slower decay of the vibrations were determined.
  • Measurements are performed continuously or at intervals, with the operating frequencies preferably being optimized while the blade is passing through the process material.
  • the reception of ultrasonic energy from the blade is preferably at intervals during which no ultrasonic energy is delivered to the blade, or in which the ultrasonic vibrations delivered to the blade have a zero crossing.
  • ultrasonic energy is continuously delivered to the blade, after which a corresponding portion of the delivered ultrasound energy is subtracted from the received ultrasound energy to determine the natural vibration of the blade.
  • control unit is designed such that the amplitude of the ultrasonic waves delivered to the blade can be controlled or regulated in order to be able to couple a desired power into the blade.
  • the optimization of the operating frequencies is performed first. Subsequently, the readjustment of the vibration amplitudes to the desired values takes place. This readjustment or the resulting oscillation amplitude can in turn be checked by measuring the vibration behavior of the blade.
  • At least one temperature sensor for example an infrared sensor, is provided, by means of which the temperature of the sonotrode or the blade or the coupling elements is preferably measured without contact.
  • the temperature is preferably measured in the region of the points where transitions are present and ultrasonic energy is coupled from a first into a second medium.
  • the temperature is preferably monitored in order to detect mismatches or other defects. Once a conspicuous increase in temperature or a high power consumption of the blade is detected, an alarm can be triggered and the cutting device can be switched off. Alternatively, when a maximum temperature is exceeded, the supplied ultrasonic power is reduced. As a result, the cutting device, the process material and / or the process parameters are checked in order to determine any possible causes of the error.
  • the inventive method can be used particularly advantageously in cutting devices in which blades are used to cut a process material.
  • the method according to the invention can also be advantageously used in devices which use any sonotrodes by means of which process goods, how foods or pharmaceuticals are processed.
  • the inventive method can be advantageously used in devices which have a blade as a sonotrode, which does not serve the cutting, but the sputtering or the transport of a process material.
  • the method according to the invention can also be used in devices which have a sieve as a sonotrode, by means of which, for example, a foodstuff or a pharmaceutical substance is sieved. This avoids that vibration nodes can remain in the region of individual pores of the sonotrode or the screen.
  • the inventive cutting device can be coupled with any other devices to cut a process material.
  • the cutting device is arranged at the end of a conveyor chain, on which a process material is to be cut into individual parts.
  • the inventive cutting device can also be arranged at the outlet of an extruder, so that the extruded material can optionally be divided into shorter or longer elements.
  • a single cutting device can serve several extruders or conveyors.
  • a device according to the invention can therefore be equipped with a sonotrode which performs various tasks, such as cutting, filtering, sieving, sputtering, transporting and fluidizing, e.g. Fluidizing a bulk material, can meet.
  • Fig. 1 shows a device 1 for cutting a process material 8A, 8B, which is supplied below and above a cutting tool or a blade 11 which is held by a drive device 12. It is shown that the drive device 12 holds the blade 11 on both sides with holding arms 121 which can be moved synchronously vertically downwards and upwards.
  • the holding arms 121 may be connected to holding members fixed to the blade 11.
  • the retaining arms 121 can be connected to the coupling elements 15A, 15B, via which the ultrasonic energy is coupled into the blade 11 (see Fig. 5 ).
  • the blade 11 can be guided downwards and upwards in order to cut a first or a second portion of the supplied process material 8A, 8B in each direction of movement.
  • the blade 11 has for this purpose an upper cutting edge 101 and a lower cutting edge 102.
  • the cutting device 1 has a correspondingly designed control unit 6, a correspondingly configured ultrasound unit 4 and correspondingly configured ultrasonic transducers 13a, 13b.
  • the ultrasonic transducers 13a, 13b are connected by means of coupling elements 15A, 15B to the blade 11, preferably welded.
  • any coupling or any desired configuration of the coupling elements 15A, 15B can be used to implement the method according to the invention.
  • the ultrasound unit 4, which communicates with and is controlled by the control unit 6, has at least one transmission channel 41 and preferably at least one reception channel 42.
  • a transmission channel 41 has, for example, a fixed or variable oscillator, for example a voltage-controlled oscillator VCO or a synthesizer.
  • a transmission channel 41 of the ultrasound unit 4 can be connected to a plurality of ultrasound transducers 13A, 13B or energy converters 131 (see FIG Fig. 6 ), which convert the electrical ultrasonic vibrations into mechanical ones Convert ultrasonic vibrations and feed the blade 11 via the coupling elements 15A, 15B.
  • the ultrasonic transducers 13A, 13B can be supplied with identical ultrasonic signals.
  • the ultrasound transducers 13A, 13B can be supplied via switches with ultrasonic signals having different frequencies in the time-sharing method.
  • a separate transmission channel 41 can be provided for each ultrasonic transducer 13A or 13B.
  • the ultrasound unit 4 is controllable such that the frequency of the ultrasound waves supplied to the blade 11 can be keyed between at least a first and a second operating frequency f1a, f1b.
  • Both ultrasound transducers 13A, 13B may have the same frequencies, which are preferably keyed within a few milliseconds.
  • the ultrasonic energy of the blade 11 is supplied via a first coupling element having a first operating frequency f1 and via a second coupling element having a second operating frequency f2, which are fixed or between at least two operating frequencies f1, f2 and f1a, f1b; f2a, f2b are keyed over (see the frequency diagram in Fig. 7b ).
  • the two ultrasonic transducers 13A, 13B are preferably supplied with different frequencies, so that a frequency mixture results on the blade 11 and vibration nodes do not appear or appear only for a very short time.
  • two or more frequencies may be superimposed and coupled into the blade 11.
  • ultrasound energy can be coupled out from the blade 11 and transmitted to the control unit 6 via one or more receiving channels 42 provided in the ultrasound unit 4.
  • the ultrasonic vibrations sensed on the blade 11 are evaluated to determine the vibration behavior of the blade 11 at the selected process parameters.
  • Fig. 1 It is illustrated that measurements during a cutting operation are preferably performed several times. While the blade 11 passes through the process material 8A, signals sk1,..., Sk5 are coupled out by the blade 11 at short time intervals and transmitted via the receiving channels 42 to the control unit 6. If an optimal vibration behavior of the blade 11 is determined, then the process parameters are not changed. If, however, a disadvantageous vibration behavior is detected, the process parameters are changed in such a way that the vibration behavior is gradually improved.
  • the process parameters are preferably readjusted after each scan of vibrations on the blade 11 and their evaluation. While the blade 11 is guided through the process material 8, thus, improvements and adjustments of the cutting process can be made continuously.
  • the cutting processes are therefore not only optimized in cases where the preceding and following process material differ. Corrections are also effective for process material, which has different properties along the cross section or the cut surface.
  • An optimal vibration behavior of the blade 11 occurs in the region of the resonance frequency of the blade 11.
  • the specified by the manufacturer resonant frequency of the blade 11 can be selected.
  • the resonance frequency and thus the vibration behavior of the blade 11 will change, so that by means of the in Fig. 1 illustrated measurements of the signals sk1, ..., sk5 a continuous optimization by determination of the resonant frequency is sought, which currently occurs during processing of the process material.
  • the global maximum within the frequency response of the blade 11 is determined.
  • local maxima which occur within the frequency response can also be determined.
  • a frequency shift keying is preferably carried out between the determined maxima.
  • care is taken that the operating frequencies f1a, f1b or f1, f2 are selected and keyed in such a way that resulting vibration nodes swk do not overlap.
  • the operating frequencies are preferably chosen such that the first and the second operating frequency f1a, f1b are preferably at the same frequency spacing below and above the detected resonant frequency f1, or that one of the operating frequencies f1a precise at the resonant frequency f1 and the second operating frequency f1b in an area where only minimal attenuation occurs.
  • the distance between the first operating frequency, which occurs at resonance or at a maximum, and the at least one second operating frequency is preferably kept as small as possible and as large as necessary, so that stationary wave nodes are avoided and the ultrasonic energy can act on the process material over the entire cutting edge of the blade.
  • a frequency spacing in the range of 5 Hz to 500 Hz is selected.
  • an asymmetric switching can be provided with a longer residence time in the range of the frequency at which higher amplitudes occur.
  • the distance between the operating frequencies f1a and f1b is preferably in a range of 5 Hz to 10 kHz. Depending on the frequency response of the blade 11 smaller or higher frequency intervals are selected.
  • the keying of the first and the second operating frequency f1a, f1b or f1, f2 takes place with a Umtastfrequenz, which is preferably in a range of 2 Hz to 500 Hz.
  • the keying is temporally symmetric or asymmetrical. For example, during a longer first time interval, the resonance frequency is applied to the blade 11, while a different working frequency is applied to the blade 11 for a shorter second time interval. In this case, by means of the blade 11 during the first time interval, an optimal effect on the process material 8 and during the second time interval a Elimination of obstacles that remain after the first time interval.
  • the method according to the invention can be used with different cutting devices or also with other devices with other ultrasonic sonotrodes.
  • Fig. 2 shows a cutting device 1 with four cutting tools 11A, ..., 11D, a pushing unit 95 with a pushing tool 94, two drive devices 12A, 12B for driving the cutting tools 11A, ..., 11D, and a conveyor table 3, on which the process material 8 stored and can be pushed by means of the pushing tool 94 toward the cutting tools 11A, ..., 11D.
  • the cutting device 1 is held by a mounting structure 5.
  • the process material 8 is fed in parallel to the four cutting tools 11A,..., 11D in twelve cylindrical or rod-shaped units 8A,..., 8L, so that in each case three of the process material units 8A,..., 8L of one of the cutting tools 11A; ...; 11D cut simultaneously.
  • the processing units 8A,..., 8L fed in parallel are held in a desired position by a hold-down while the cut is being carried out.
  • the cutting unit 1 comprises the four cutting tools 11A; ...; 11D, which are each connected to an ultrasonic transducer 13 and can be vertically lowered by the driving devices 12A, 12B and raised again to cut off slices 89 from the process material units 8.
  • the discs 89 fall on a conveyor belt 92 of a receiving conveyor 9, which has a drive motor 91.
  • a control unit 6 which can control the cutting device 1, the conveying devices and the ultrasound unit 4.
  • the control unit 6 is connected via a first control line 61 to the drive devices 12A, 12B, a second control line 62 to the conveyor devices, a third control line 63 to the ultrasonic unit 4 and a fourth control line 69 to the take-off conveyor 9.
  • the control unit 6 can be supplied with information via a keyboard and measuring devices 71, 72, such as measuring formers and sensors, by means of which the cutting process and the conveying process can be controlled.
  • Fig. 3 shows the dismantled cutting device 1 of Fig. 1 comprising two identically constructed cutting modules held by a mounting plate which is part of the mounting structure 5 of the device.
  • Each of the cutting modules comprises a drive unit 12A; 12B and a bearing device 128A connected to the mounting structure 5; 128B, which allows a respective first and second bearing block 129A, 129B to lower and raise vertically.
  • At each storage block 129A; 129B two ultrasonic transducers 13A, 13B and 13C, 13D are each arranged, which are each connected via a coupling element 15 with a cutting tool 11A, 11B, 11C or 11D.
  • the cutting tools 11A, ..., 11D each comprise a blade 11, at the back of which the arcuate coupling elements 15 are welded, whereby the ultrasonic energy can be coupled into the blades 11.
  • Fig. 4a shows that the coupling element 15 is connected to a beam 130, for example screwed, on the one the first energy converter 131 is arranged, to which ultrasonic energy is supplied, and on which a second energy converter 132 is arranged, which detects ultrasonic waves occurring on the blade 11 and converts them into electrical signals which are transmitted to the control unit 6.
  • the beam 130 which forms an ultrasonic transducer 13 together with the energy converters 131, 132, has, for example, a screw on the front, which is screwed into a threaded bore in the coupling part 15.
  • the ultrasound unit 4 has a plurality of transmission channels 41 and a plurality of reception channels 42, so that a plurality of ultrasound transducers 13 can be operated.
  • the energy converters 131, 132 preferably each comprise a piezoelement, which is enclosed between two electrodes, for example metal plates, one of which abuts against the beam 130 and the other is connected to an electrical connection line 401, 402.
  • the first energy converter 131 is supplied from a transmitting channel 41 of the ultrasonic unit 4 via the connecting line 401 electrical ultrasonic signals.
  • the second energy converter 131 or the sensor 71 detects mechanical ultrasonic waves from the blade 11 and converts them into electrical ultrasonic waves, which are supplied from the second connecting line 402 to a receiving channel 42 of the ultrasound unit 4.
  • the received ultrasonic waves are optionally amplified, filtered and converted and fed to an evaluation module 600 in the control unit 6.
  • the evaluation module 600 determines the current vibration behavior of the blade 11 and compares this with target values, after which corrective measures are determined. For example, it is determined that at least one of the operating frequencies is to be postponed, or that the signal amplitude of at least one of the operating frequencies should be increased or reduced. Corresponding information is output by the evaluation module 600 to a control module 60, which determines the operating frequencies, the Umtastfrequenzen, the Umtastintervalle and the signal amplitude and provides corresponding control signals. For controlling the evaluation module 600 and the control module 60, an operating program is provided which controls the program sequence and can communicate via interfaces with the user and external computers or electronic units.
  • the process optimization can be done in different ways. As mentioned, the vibration behavior of the sonotrode or the blade 11 can be continuously monitored and optimized. However, the control unit 6 can also automatically try to optimize the process parameters. For this purpose, the control unit 6 can deliver test signals TP to the blade 11 during the working process or during test phases and evaluate the echo signals f1, f2, f3. The evaluation of the test signals and the operating signals or operating frequencies, which are detected during the course of the process, can take place in the same way.
  • Fig. 4b shows by way of example a spectrogram with an ultrasonic pulse TP, which comprises vibrations with several frequencies f1, f2 and f3.
  • the vibration behavior of the blade 11 or the further course of the vibrations f1, f2 and f3 is examined. It is checked with which amplitudes the individual vibrations f1, f2 and f3 occur and how quickly they decay.
  • the curves df1, df2 and df3 show the courses of the decay of the oscillations f1, f2 and f3.
  • the test pulse TP for example, two frequencies f1, f3 are added, which are below and above the operating frequency f2.
  • the evaluation module 600 will therefore output the information to the control module 60, after which a better oscillation behavior of the blade 11 can be achieved with the frequency f1 as the new operating frequency.
  • the control module 60 can take over the frequency f1 directly as a new operating frequency or include the information in the further evaluation process. Preferably also parameters are included in the evaluation, which affect the properties or expected changes of the process material 8.
  • Fig. 5 shows blade 11 of Fig. 4a with two coupling elements 15A, 15B to which ultrasonic transducers 13A, 13B are connected.
  • the ultrasound units 4 can also be partially or completely integrated into the ultrasound transducers 13A, 13B. It is shown that the blade 11 is held by the coupling elements 15A, 15B which are welded to the blade 11.
  • the coupling elements 15A, 15B in turn are held by symbolically shown holding arms 121, as described with reference to FIG Fig. 1 has been described.
  • Fig. 6 shows by way of example the multi-channel ultrasound unit 4, which is connected via a bus system 63 to the control unit 6 in order to exchange data.
  • the ultrasound unit 4 has two transmission channels 41 and two reception channels 42.
  • Each transmit channel 41 comprises a D / A converter 411, which converts the digital commands of the control unit 6 into analog control signals which can be fed to a controllable oscillator 412.
  • a synthesizer which can be controlled directly by the control unit 6 and at the same time can deliver a plurality of operating frequencies.
  • the vibrations emitted by the controllable oscillators 412 are each supplied to a controllable amplifier 413, which outputs the oscillations with an optional amplitude to the energy converter 131.
  • the control of the amplifiers 413 again takes place through the control unit 6 or the control module 60. At the same time, therefore, a plurality of ultrasound signals having a selected frequency and selected amplitude can be output to the envisaged energy converters 131 and ultrasound transducers 13.
  • Each receive channel 42 preferably includes an input amplifier 421, preferably a subsequent filter stage 422 which passes only the frequencies of interest, and an A / D converter which converts the analog signals to digital data.
  • the digital data is passed to the evaluation module 600, which comprises, for example, a signal processor and is preferably suitable for carrying out the Fourier transformation.
  • Fig. 7a shows the blade 11 of Fig. 5 with the ultrasonic transducers 13A, 13B, which are connected via line systems 40A, 40B to an ultrasound unit 4, the Transmitting and receiving ultrasonic signals, as with respect to the FIGS. 4a, 4b and 6 has been described.
  • the cutting device 1 is in operation and at the cutting edge of the blade 11 two standing waves sw1, sw2 occur, which overlap each other, so that wave nodes swk of one standing wave sw1 are within shaft tails swb of the other standing wave.
  • the two shafts sw1, sw2 can be superimposed on one another or switched on alternately, so that each zone of the process material to be cut is exposed to the maximum intensity of the ultrasonic energy within a few milliseconds, if appropriate within a fraction of a millisecond, and an optimum cutting profile is ensured.
  • Fig. 7c is the first standing wave sw1 illustrated with wave node swk and wave bumps swb.
  • Fig. 7a are also temperature sensors 72, 73, preferably infrared sensors, shown by means of which the temperature of the blade 11 or the coupling elements 15A, 15B, in particular the connection points, can be monitored. If a critical temperature rise is detected, the power delivered to the blade 11 can be reduced. Furthermore, a test procedure can be performed to detect erroneous process parameters. For example, the frequency response of the blade 11 is recorded to detect shifts in the resonance frequencies. In this way, it can be prevented in time that the blade 11 is damaged.
  • Fig. 7b shows a frequency diagram with frequencies f1, f1a, f1b, f2, f2a, f2b, which are adjustable by the control module 60.
  • the in Fig. 7b is shown as an example. It can be seen that the frequency response V has four maxima which are above a defined threshold value s.
  • the maxima M1,..., M4 are at the points where the ultrasonic energy optimally penetrates into the blade 11 and can cause it to oscillate.
  • the mechanical vibrations are converted for example by piezoelectric elements into electrical signals whose voltage profile or amplitudes in Fig. 7b are drawn.
  • the frequencies of the maxima lying above this threshold value s are suitable as working frequencies.
  • M3 is the global maximum while M1, M2 and M4 are local maximum.
  • the operating frequencies are now selected such that the wave nodes and the antinodes of the resulting standing waves overlap.
  • the operating frequencies f1 and f2 were chosen at the locations of the global maximum M3 and the local maximum of the M2.
  • combinations of the frequencies of said maxima e.g. M3 and M4 or M1, M2 and M4, and M1 and M4, respectively.
  • a resonant frequency f1 is determined, after which operating frequencies f1a, f1b are determined on both sides of the resonant frequency f1 and fed to only one or both ultrasonic transducers 13A, 13B. It is shown that the maxima, for example due to the change in the consistency of the process material 8, migrate and the operating frequencies f1, f2 or f1a, f1b are adjusted accordingly and continuously optimized according to the method according to the invention.
  • Recipes can be permanently adjusted or sequentially or randomly selected and set. By measuring the vibration behavior of the blade 11 in each recipe, the optimal formulations can be immediately selected and applied. In preferred embodiments, therefore, not only a switching of a single process parameter, but a group of process parameters, possibly an entire recipe.
  • the formulations are preferably continuously optimized and stored again by means of the measuring methods according to the invention. If changes in the process material 8 occur, therefore, suitable formulations can be used immediately.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden eines Prozessguts, insbesondere von Nahrungsmitteln, wie Fleisch, Käse, Gemüse, Brot oder Teigwaren, unter Anwendung von Ultraschallenergie sowie eine nach diesem Verfahren arbeitende Schneidevorrichtung, die eine Klinge aufweist, welche mit Ultraschallenergie beaufschlagt wird.
  • In zahlreichen industriellen Anwendungen, insbesondere in der Nahrungsmittelindustrie, sind Produkte mit vorgesehenen Abmessungen bereitzustellen. Oft werden Brot, Fleischwaren, insbesondere Wurstwaren, oder Käse in Tranchen aufgeteilt und verpackt. Für diesen Zweck werden in der Praxis verschiedene Schneidevorrichtungen eingesetzt.
  • Aus [1], DE102005006506A1 , ist eine Schneidevorrichtung bekannt, bei der ein vertikal vibrierendes Sägeblatt zum Schneiden verwendet wird. Der Schwingungsweg und die Schwingungsfrequenz des Sägeblattes sind innerhalb bestimmter Grenzen variabel einstellbar. Angetrieben wird das Sägeblatt von einem, im Gehäuse integriertem Schwingungsmotor. Durch den Schwingungsmotor wird das Sägeblatt so angetrieben, dass es eine stete Bewegung auf und ab vollführt. Der Weg, den das Sägeblatt zurücklegt ist dabei zwischen einem 1/10mm und 5mm einstellbar. Mit einer solchen Schneidevorrichtung kann ein Prozessgut normalerweise nicht mit der gewünschten Qualität geschnitten werden. Ferner ist bei der Einwirkung eines Schwingungsmotors mit einer hohen Belastung der Klinge zu rechnen.
  • Vorteilhafte kann das Prozessgut mit einer Schneidevorrichtung bearbeitet werden, bei der ein Messer mit Ultraschallenergie beaufschlagt wird. Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der [2], EP2551077A1 , bekannt. Die von einem Ultraschallwandler abgegebene Ultraschallenergie wird dem Messer über wenigstens ein bogenförmiges, vorzugsweise U-förmiges Kopplungselement zugeführt, welches einerseits mit dem Klingenrücken der Klinge verschweisst und andererseits beispielsweise über eine Gewindebohrung und eine Kopplungsschraube mit dem Ultraschallwandler verbunden ist. Die beschriebene Schneidevorrichtung erlaubt im Vergleich zu konventionellen Anlagen, ein Prozessgut schneller und präziser zu bearbeiten.
  • Der Anwender legt bei dieser Schneidevorrichtung die Betriebsparameter fest, die bei der Verwendung des Messers angewendet werden. Diese Betriebsparameter hängen insbesondere vom Prozessgut ab, welches zu bearbeiten bzw. in Stücke zu schneiden ist. Insbesondere werden die Taktzyklen festgelegt, mittels denen das Messer zyklisch bewegt wird. Innerhalb eines Arbeitszyklus wird das Messer entweder einmal rotiert oder vor und zurück bewegt. Die Taktzyklen können dabei nur innerhalb des Bereichs erhöht werden, innerhalb dem die Qualität der ausgeführten Schnitte gewährleistet bleibt. Sobald beim Prozessgut Deformationen oder Risse auftreten, muss die Schneidegeschwindigkeit wiederum reduziert werden.
  • Falls sich die Konsistenz des Prozessguts während eines kontinuierlich ablaufenden Schneideprozesses ändert, können Qualitätsmängel auftreten. Sofern der Anwender die Schneideprozesse auf ein Prozessgut abgestimmt hat und eine erste Charge bearbeitet wurde, können bei der Bearbeitung einer weiteren Charge Qualitätsmängel auftreten, falls diese zweite andere Eigenschaften aufweist.
  • Die aus [2] bekannte Schneidevorrichtung kann mit einem langen Messer bestückt werden, das beidseitig gehalten und senkrecht zu seiner Ausrichtung nach oben und nach unten gefahren wird, um ein oberhalb und ein unterhalb des Messers zugeführtes Prozessgut abwechslungweise zu schneiden. Derartige Messer sind aufwändig in der Herstellung und entsprechend teuer. Hingegen können diese Messer bei optimalem Einsatz über lange Zeit genutzt werden. Sofern hingegen Betriebsparameter für ein vorliegendes Prozessgut falsch gewählt werden, kann an diesem Messer ein erhöhter Verschleiss auftreten. Vorrichtungsteile können sich erwärmen und Defekte können auftreten.
  • Aus [3], DE102009045945A1 , ist eine Werkzeugmaschine bekannt, die eine Antriebseinheit zur Ultraschallanregung eines Werkzeugs aufweist, wobei eine Vorrichtung zur Ausgabe eines Informationssignals vorgesehen ist, dessen Frequenz und/oder Amplitude in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Elektrowerkzeugmaschine variiert wird. Während des Betriebs der Elektrowerkzeugmaschine kann ein für den Anwender fühlbares leichtes Vibrieren des Griffteils mit geringer Amplitude erfolgen, um den aktuellen Betriebszustand, ohne die Handhabung der Elektrowerkzeugmaschine zu beeinträchtigen. Für vollautomatisch betriebene Produktionsapparate ist diese Lösung hingegen nicht verwertbar.
  • Innerhalb eines Scans oder Sweeps wird die hinsichtlich der Leistung optimale Frequenz daher nur einmal generiert, während ausserhalb dieses Frequenzpunktes zahlreiche weniger geeignete Frequenzen generiert werden. Die Eigenschaften der Schneidvorrichtung und der Schneideeigenschaften der Klinge ändern daher während des Frequenzdurchlaufs.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Schneiden eines Prozessguts unter Anwendung von Ultraschallenergie sowie eine verbesserte Schneidevorrichtung mit einer Klinge anzugeben, die nach diesem Verfahren arbeitet.
  • Anhand des erfindungsgemässen Verfahrens soll die Klinge möglichst konstant in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden. Die Klinge soll zudem möglichst schonend betrieben werden, damit Belastungen und eine Abnutzung vermieden werden.
  • Die Schneidevorrichtung soll mit höherer Effizienz, insbesondere mit höheren Taktzyklen, betrieben werden können.
  • Das Prozessgut soll mit hoher Präzision, hohen Taktraten und konstant hoher Schneidequalität geschnitten werden können. Die geschnittenen Produkte, insbesondere Nahrungsmittelscheiben sollen ebene Schnittflächen und gleichmässige Dicken aufweisen. Die Präzision soll dabei auch dann erhalten bleiben, wenn die Festigkeitseigenschaften des zugeführten Nahrungsmittels oder parallel zugeführter Nahrungsmitteleinheiten ändern.
  • Bei Änderungen der Eigenschaften des Prozessguts, insbesondere bei der Bearbeitung unterschiedlicher Chargen eines Prozessguts, sollen keine Qualitätsmängel und auch keine höheren Belastungen der Klinge oder weiterer Vorrichtungsteile auftreten.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Schneiden eines Prozessguts unter Anwendung von Ultraschallenergie sowie einer nach diesem Verfahren arbeitenden Schneidevorrichtung gelöst, welche die in Anspruch 1 bzw. 13 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
  • Das Verfahren dient dem Betrieb einer Schneidevorrichtung, die zum Bearbeiten, insbesondere zum Schneiden eines Prozessguts vorgesehen ist und die wenigstens eine Klinge aufweist, die mit einer Antriebsvorrichtung angetrieben wird und der über wenigstens einen Energiewandler und ein Kopplungselement Ultraschallenergie von einer Ultraschalleinheit zugeführt wird.
  • Erfindungsgemäss ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche die Ultraschalleinheit derart steuert, dass die Frequenz der über vorzugsweise nur ein Kopplungselement der Klinge zugeführten Ultraschallenergie zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Arbeitsfrequenz umgetastet wird oder dass die Ultraschallenergie der Klinge über ein erstes Kopplungselement mit einer ersten Arbeitsfrequenz und vorzugsweise über ein zweites Kopplungselement mit einer zweiten Arbeitsfrequenz zugeführt wird, die fest sind oder je zwischen wenigstens zwei Frequenzwerten bzw. Arbeitsfrequenzen umgetastet werden.
  • Die erfindungsgemässe Einkopplung der Ultraschallenergie erlaubt es der Klinge, das Prozessgut mit geringem Energieaufwand und praktisch ohne Kraftaufwand zu schneiden. Die auf der Klinge auftretenden Oberflächenwellen trennen die Struktur des Prozessguts auf, bevor die Klinge tiefer gegen das Prozessgut geführt wird. Dies erlaubt ein rasches Eindringen der Klinge, ohne dass Deformationen beim Prozessgut auftreten.
  • Aufgrund der Umtastung der Arbeitsfrequenzen oder der Einkopplung von zwei unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen erfolgt eine gleichmässige Verteilung der Ultraschallenergie entlang der Schneidekante der Klinge. Wellenknoten stehender Wellen, die bei der ersten Frequenz auftreten, werden durch Wellenbäuche überlagert oder abgelöst, die bei der zweiten Frequenz auftreten. Die Schneidekante schwingt somit lückenlos, weshalb eine optimale Wirkung beim Eindringen der Klinge in das Prozessgut erzielt wird. Stationäre Wellenknoten, an denen die Ultraschallenergie nicht einwirken kann, werden vermieden.
  • Durch die Umtastung zwischen wenigstens zwei vorteilhaften Arbeitsfrequenzen, bei denen eine gute oder optimale Einkopplung der Ultraschallenergie in die Klinge erfolgt, wird gewährleistet, dass die Klinge stets optimal betrieben wird. Ein Scan oder Sweep der Ultraschallfrequenz wird vermieden, so dass ungünstige Ultraschallfrequenzbereiche nicht durchlaufen werden. Erfindungsgemäss wird daher stets eine optimale Arbeitsfrequenz eingestellt, während bei einem Scan oder Sweep schrittweise eine grosse Zahl verschiedener Frequenzen eingestellt wird, von denen nur wenige optimale Resultate liefern.
  • Die Klinge kann vor und zurück bewegt oder auch in einer Ebene rotiert werden, die senkrecht zur Antriebsachse steht. Ferner sind auch kombinierte Schneidebewegungen realisierbar. Beispielsweise wird die Klinge nach vorne geführt und dann seitlich bewegt. Bei der Rotation der Klinge muss diese nicht abgebremst und wieder beschleunigt werden, sondern kann ohne Energieverluste kontinuierlich in dieselbe Richtung rotiert werden. Die Steuerung der Arbeitszyklen des Messers kann durch Steuerung eines Antriebsmotors somit in einfacher Weise erfolgen. Die maximale Arbeitsfrequenz wird dabei nicht durch die Leistungsfähigkeit der Antriebsvorrichtung, sondern durch die maximale Schneidegeschwindigkeit bestimmt, mit der die Klinge durch das Prozessgut hindurchgeführt werden kann. Da diese maximale Schneidegeschwindigkeit bei der erfindungsgemässen Anwendung von Ultraschallenergie sehr hoch ist, können sehr hohe Taktzyklen erreicht werden.
  • Mit der Schneidevorrichtung kann beliebiges Prozessgut bearbeitet bzw. geschnitten werden. Insbesondere Nahrungsmittel, z.B. Fleisch, Brot, Teigwaren, Milchprodukte, Papier, Karton, Kunststoff, Metall, Edelmetalle, z.B. Gold und Silber, lassen sich mit dieser Schneidevorrichtung vorteilhaft bearbeiten.
  • Die Anwendung von Ultraschallenergie beispielsweise mit Arbeitsfrequenzen im Bereich von z.B. 30-40 kHz verleiht dem erfindungsgemäss ausgestalteten Messer besonders vorteilhafte Eigenschaften. Die Ultraschallenergie wird vorzugsweise über die grossen Seitenflächen des Klingenrückens quer zur Schnittrichtung des Messers in die Klinge eingekoppelt. Ein der Klinge zugewandtes Endstück des Kopplungselements verläuft dabei vorzugsweise senkrecht zur Klinge. Bei der Einwirkung der Ultraschallenergie resultieren elastische Wellen innerhalb und/oder auf der Oberfläche der Klinge, die sich zur Schneide hin intensivieren. Besonders vorteilhafte Wellen resultieren bei gekrümmter oder gebogener Ausgestaltung des Kopplungselements, welches vorzugsweise U-förmig ausgestaltet ist.
  • Die Klinge kann nur auf einer Seite oder auch auf einander gegenüberliegenden Seiten mit einer Schneidekante versehen werden. Die Schneidevorrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass die Klinge in beide Richtungen bewegt oder rotiert und gegen ein Prozessgut geführt werden kann.
  • Bei einer rotierenden Klinge ist die Antriebswelle auf wenigstens einem Lagerelement gelagert und mit der Antriebswelle verbunden, die direkt oder indirekt über Antriebselemente, wie Zahnräder und Zahnriemen, mit einer Antriebseinheit, beispielsweise einem Elektromotor, verbunden ist. Die Antriebswelle trägt ferner den Energiewandler oder den Energiewandler und die Ultraschalleinheit. Grundsätzlich ist nur erforderlich, dass der mit dem Kopplungselement verbundene Energiewandler, beispielsweise ein Piezoelement, zusammen mit der Antriebswelle gedreht wird. Lediglich in vorzugsweisen Ausgestaltungen wird die Ultraschalleinheit ebenfalls mit der Antriebswelle verbunden und drehbar gehalten.
  • Energie und/oder Steuersignale sind dem Energiewandler und/oder der Ultraschallgenerator bzw. einer damit verbundenen und ebenfalls drehbar gehalten Steuereinheit über eine elektrische Kopplungseinheit zuführbar. Steuersignale können auch über eine Funkschnittstelle, beispielsweise nach dem Bluetooth-Verfahren, übertragen werden. Möglich ist auch die optische Übertragung von Steuersignalen.
  • Bei einer rotierenden Klinge erfolgt die Übertragung der Ultraschallenergie über ein Kopplungselement oder über zwei koaxial zueinander ausgerichtete Kopplungselemente, die senkrecht zur Klinge ausgerichtet sind. Bei einer Klinge, die vor und zurück bewegt wird, kann die Einkopplung von Ultraschallenergie über ein Kopplungselement oder über mehrere Kopplungselemente erfolgen. Vorzugsweise wird auf beiden Seiten der Klinge je ein Kopplungselement vorgesehen. Über die beiden voneinander getrennten Kopplungselemente kann vorteilhaft Ultraschallenergie mit einer ersten und einer zweiten Frequenz in die Klinge eingekoppelt werden.
  • Erfindungsgemäss werden die Arbeitsfrequenzen unter Berücksichtigung der Maximalwerte der Amplituden, gegebenenfalls der Resonanzfrequenzen gewählt, die beim Eindringen der Klinge in das Prozessgut auftreten.
  • Dazu ist vorzugsweise ein Energiewandler oder Sensor vorgesehen, der auf der Klinge auftretende mechanische Ultraschallwellen erfasst und in dazu korrespondierende elektrische Signale umwandelt, die beispielsweise in einem Signalprozessor ausgewertet werden.
  • Die Maximalwerte oder die Resonanzfrequenzen werden vorzugsweise ermittelt, während das Prozessgut geschnitten wird. Anhand der ermittelten Maximalwerte oder Resonanzfrequenzen können die Arbeitsfrequenzen vorteilhaft festgelegt werden. Sofern zwei oder mehrere Maximalwerte oder Resonanzfrequenzen, d.h. das globale Maximum und ein lokales Maximum der gemessenen Amplituden auftreten, können die Arbeitsfrequenzen zwischen diesen beiden Resonanzfrequenzen bzw. Maxima umgetastet werden. In diesem Fall arbeitet die Klinge immer bei Resonanz oder bei Maximalwerten. Sofern nur ein Maximum im gesamten Frequenzgang der Klinge und im Arbeitsbereich auftritt, so kann eine erste Arbeitsfrequenz auf die Resonanzfrequenz und eine zweite Arbeitsfrequenz derart in den Nachbarbereich der Resonanzfrequenz gelegt werden, dass auch in der zweiten Arbeitsfrequenz nur minimale Verluste auftreten. Alternativ werden Arbeitsfrequenzen gewählt, von denen eine auf der unteren und die andere auf der oberen Seite der Resonanzfrequenz liegen. Die Abstände von der Resonanzfrequenz werden dabei derart, vorzugsweise gleich oder unterschiedlich, gewählt, dass möglichst geringe Verluste auftreten und gleichzeitig die erforderliche Verschiebung der stehenden Wellen bzw. der Wellenknoten erzielt wird. Beispielsweise werden Frequenzabstände zwischen den Arbeitsfrequenzen in einem Bereich von vorzugsweise 5 Hz bis 10 kHz gewählt.
  • Die Umtastung zwischen der ersten und der zweiten Arbeitsfrequenz kann zeitlich symmetrisch oder asymmetrisch erfolgen. Beispielsweise wird während eines längeren ersten Zeitintervalls die bevorzugte Arbeitsfrequenz und während eines kürzeren zweiten Zeitintervalls die Arbeitsfrequenz gewählt, die von der Resonanzfrequenz abweicht oder bei der grössere Verluste auftreten.
  • Die Umtastung zwischen den Arbeitsfrequenzen erfolgt mit einer Umtastfrequenz, die vorzugsweise in einem Bereich von 2 Hz bis 500 Hz liegt. Alle Parameter, insbesondere die Umtastfrequenz werden vorzugsweise in Abhängigkeit der Konsistenz des Prozessguts und/oder der molekularen Struktur des Prozessguts und/oder der Schneidegeschwindigkeit gewählt. Auch bei hoher Schneidegeschwindigkeit kann daher gewährleistet werden, dass durch die Interferenzen von zwei stationären Arbeitsfrequenzen oder durch die Umtastung von Arbeitsfrequenzen der Schnitt korrekt erfolgt, ohne dass im Schnittbereich störende Schwingungsknoten auftreten, an denen das Material gestaucht und nur mit Verzögerung aufgetrennt wird. Bei weichem Prozessgut wird normalerweise eine höhere Umtastfrequenz gewählt. Hingegen wird auch bei kristallinem Prozessgut vorzugsweise eine höhere Umtastfrequenz gewählt.
  • Zur Optimierung der Schneidequalität werden vor und/oder vorzugsweise während des Schneideprozesses Messungen durchgeführt. Anhand dieser Messungen wird das Schwingungsverhalten der Klinge festgestellt werden, welches bei der Einkopplung von Ultraschallenergie mit einer bestimmten Frequenz resultiert. Von besonderem Interesse ist das Verhalten der Klinge währenddem die Klinge durch das Prozessgut geführt wird.
  • In vorzugsweisen Ausgestaltungen ist die Klinge direkt oder über eines der Kopplungselemente mit einem Sensor, vorzugsweise einem Wandlerelement verbunden, mittels dessen Schwingungen der Klinge erfasst, gewandelt und als elektrische Signale zur Steuereinheit übertragen und dort ausgewertet werden. Auf diese Weise kann das Schwingungsverhalten der Klinge über den gesamten Frequenzbereich bzw. Arbeitsbereich ermittelt werden.
  • Mittels des Sensors werden die Schwingungsamplitude der Klinge und/oder die Phasenlage der Schwingungen der Klinge bezüglich eines Referenzsignals und/oder das normalerweise exponentiell verlaufende Abklingen der Schwingungen der Klinge ermittelt. Als Referenzsignal dienen beispielsweise die vom Ultraschallwandler abgegebenen Ultraschallwellen. Daten werden insbesondere für neue oder bereits ermittelte Resonanzfrequenzen, Arbeitsfrequenzen und/oder für neue Testfrequenzen ermittelt.
  • In einer vorzugsweisen Ausgestaltung wird als Testsignal ein breitbandiger Impuls an die Klinge abgegeben, wonach die resultierenden Schwingungen gemessen werden. Beispielsweise wird ein Signal mit mehreren Frequenzen an die Klinge angelegt, von denen vorzugsweise wenigstens eine die Arbeitsfrequenz ist. In der Folge können die resultierenden Schwingungen, die schneller oder langsamer abklingen, beispielsweise anhand einer Fourier-Transformation ausgewertet werden, um Resonanzfrequenzen sowie deren Amplituden und Zerfallsgeschwindigkeiten zu ermitteln.
  • Alternativ kann der Frequenzgang eines Frequency Sweep gemessen werden, indem mit einem Ultraschallsignal der relevante Frequenzbereich durchlaufen wird und die resultierenden Schwingungen erfasst werden.
  • Nach Ermittlung der Frequenzen, bei denen die Klinge ein gutes oder optimales Schwingungsverhalten aufweist, werden die Arbeitsfrequenzen auf diese Frequenzwerte gesetzt bzw. in Bereiche verschoben, für die höhere bzw. maximale Amplituden und/oder eine geringere Phasenverschiebung und/oder ein langsamerer Zerfall der Schwingungen ermittelt wurden.
  • Messungen werden kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen durchgeführt, wobei die Arbeitsfrequenzen vorzugsweise optimiert werden, während die Klinge durch das Prozessgut geführt wird.
  • Der Empfang von Ultraschallenergie von der Klinge erfolgt vorzugsweise während Intervallen, in denen keine Ultraschallenergie an die Klinge abgegeben wird, oder in denen die an die Klinge abgegebenen Ultraschallschwingungen einen Nulldurchgang aufweisen.
  • Alternativ wird Ultraschallenergie kontinuierlich an die Klinge abgegeben, wonach ein entsprechender Anteil der abgegebenen Ultraschallenergie von der empfangenen Ultraschallenergie subtrahiert wird, um die Eigenschwingung der Klinge zu ermitteln.
  • In vorzugsweisen Ausgestaltungen ist die Steuereinheit derart ausgestaltet, dass die Amplitude der an die Klinge abgegebenen Ultraschallwellen gesteuert oder geregelt werden kann, um eine gewünschte Leistung in die Klinge einkoppeln zu können.
  • In vorzugsweisen Ausgestaltungen wird zuerst die Optimierung der Arbeitsfrequenzen durchgeführt. Anschliessend erfolgt die Nachregelung der Schwingungsamplituden auf die gewünschten Werte. Diese Nachregelung bzw. die resultierende Schwingungsamplitude kann wiederum durch Messung des Schwingungsverhaltens der Klinge überprüft werden.
  • In vorzugsweisen Ausgestaltungen ist zudem wenigstens ein Temperatursensor, beispielsweise ein Infrarotsensor, vorgesehen, mittels dessen die Temperatur der Sonotrode bzw. der Klinge oder der Kopplungselemente vorzugsweise kontaktlos gemessen wird. Insbesondere im Bereich der Stellen, an denen Übergänge vorliegen und Ultraschallenergie von einem ersten in ein zweites Medium eingekoppelt wird, wird vorzugsweise die Temperatur gemessen. Während des Betriebs der Schneidevorrichtung, insbesondere während der Regelung der Amplitude der Ultraschallschwingungen, wird die Temperatur vorzugsweise überwacht, um Fehlanpassungen oder weitere Mängel zu detektieren. Sobald ein auffälliger Temperaturanstieg bzw. ein hoher Leistungskonsum der Klinge detektiert wird, kann ein Alarm ausgelöst und die Schneidevorrichtung abgeschaltet werden. Alternativ wird bei Überschreiten einer Maximaltemperatur die zugeführte Ultraschall-Leistung reduziert. In der Folge werden die Schneidevorrichtung, das Prozessgut und/oder die Prozessparameter geprüft, um allfällige Fehlerursachen festzustellen.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren kann besonders vorteilhaft bei Schneidevorrichtungen angewendet werden, bei denen Klingen eingesetzt werden, um eine Prozessgut zu zerschneiden. Hingegen kann das erfindungsgemässe Verfahren auch vorteilhaft bei Vorrichtungen eingesetzt werden, die beliebige Sonotroden verwenden, mittels denen Prozessgüter, wie Nahrungsmittel oder pharmazeutische Produkte bearbeitet werden. Beispielsweise kann das erfindungsgemässe Verfahren bei Vorrichtungen vorteilhaft eingesetzt werden, welche eine Klinge als Sonotrode aufweisen, die jedoch nicht dem Schneiden, sondern dem Zerstäuben oder dem Transport eines Prozessguts dient. Beispielsweise kann das erfindungsgemässe Verfahren auch bei Vorrichtungen eingesetzt werden, die ein Sieb als Sonotrode aufweisen, mittels dessen z.B. ein Nahrungsmittel oder eine pharmazeutische Substanz gesiebt wird. Dabei wird vermieden, dass Schwingungsknoten im Bereich einzelner Poren der Sonotrode bzw. des Siebs verharren können.
  • Die erfindungsgemässe Schneidevorrichtung kann mit beliebigen weiteren Vorrichtungen gekoppelt werden, um ein Prozessgut zu schneiden. Beispielsweise wird die Schneidevorrichtung am Ende einer Förderkette angeordnet, an der ein Prozessgut in Einzelteile zu schneiden ist. Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemässe Schneidevorrichtung auch am Ausgang eines Extruders angeordnet werden, so dass das extrudierte Material wahlweise in kürzere oder längere Elemente aufgeteilt werden kann. Eine einzige Schneidevorrichtung kann dabei mehrere Extruder oder Fördervorrichtungen bedienen. Eine erfindungsgemässe Vorrichtung kann daher mit einer Sonotrode ausgerüstet werden, welche verschiedene Aufgaben, wie zum Beispiel Schneiden, Filtern, Sieben, Zerstäuben, Transportieren und Fluidisieren, z.B. Fluidisieren eines Schüttguts, erfüllen kann.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Schneiden eines Prozessguts 8A, 8B, welches unterhalb und oberhalb einer Klinge 11 zugeführt wird, die von einer Antriebsvorrichtung 12 gehalten wird und der über zwei Ultraschallwandler 13 Ultraschallenergie von einer Ultraschalleinheit 4 zuführbar ist, die zudem zum Empfang von Ultraschallsignalen geeignet ist, die von der Klinge 11 wieder entnommen wurden;
    Fig. 2
    eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Schneiden eines Prozessguts 8, umfassend eine Schneidevorrichtung 1 mit vier Klingen 11A, ..., 11D, mittels denen ein Prozessgut 8, welches in Form von Stangen 8A, ..., 8L auf einem Fördertisch 93 zugeführt wird, in Scheiben 89 geschnitten wird;
    Fig. 3
    die Schneidevorrichtung 1 von Fig. 2, mit zwei Antriebseinheiten 12A, 12B mittels denen die Klingen 11A, ..., 11D nach unten und wieder nach oben verschiebbar sind;
    Fig. 4a
    ein eine Klinge 11 mit einem Kopplungselement 15, auf dem ein erster Energiewandler 131 angeordnet ist, dem Ultraschallenergie zugeführt wird, und auf dem ein zweiter Energiewandler 132 angeordnet ist, welcher auf der Klinge 11 auftretende Ultraschallwellen erfasst und in elektrische Signale wandelt, die von der Steuereinheit 6 ausgewertet werden;
    Fig. 4b
    ein Spektrogramm mit einem Ultraschall-Impuls TP mit Schwingungen mehrerer Frequenzen f1, f2 und f3, welche an die Klinge 11 abgegeben werden sowie dem Verlauf der Schwingungen, der anschliessend gemessen und ausgewertet wird;
    Fig. 5
    die Klinge 11 von Fig. 4a mit zwei Kopplungselementen 15A, 15B, an die Ultraschallwandler 13A, 13B angeschlossen sind;
    Fig. 6
    die mehrkanalige Ultraschalleinheit 4 und die Steuereinheit 6 in einer vorzugsweisen Ausgestaltung;
    Fig. 7a
    die Klinge 11 von Fig. 5 mit den Ultraschallwandlern 13A, 13B, die mit einer Ultraschalleinheit 4 verbunden sind, die Ultraschallsignale abgibt und empfängt;
    Fig. 7b
    ein Frequenzdiagramm mit Frequenzen f1, 11a, f1b; f2, f2a, f2b, die durch Überprüfung des Schwingungsverhaltens der Klinge 11 bzw. anhand des Frequenzgangs V der Klinge 11 optimiert werden; und
    Fig. 7c
    an der Klinge 11 auftretende stehende Wellen sw1, die Schwingungsknoten swk und Schwingungsbäuche swb aufweisen.
  • Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Schneiden eines Prozessguts 8A, 8B, welches unterhalb und oberhalb eines Schneidewerkzeugs bzw. einer Klinge 11 zugeführt wird, die von einer Antriebsvorrichtung 12 gehalten wird. Es ist gezeigt, dass die Antriebsvorrichtung 12 die Klinge 11 auf beiden Seiten mit Haltearmen 121 hält, die synchron vertikal nach unten und nach oben verschoben werden können. Die Haltearme 121 können mit Halteelementen verbunden werden, die an der Klinge 11 befestigt sind. Vorteilhaft können die Haltearme 121 mit den Kopplungselementen 15A, 15B verbunden werden, über die die Ultraschallenergie in die Klinge 11 ein gekoppelt wird (siehe Fig. 5).
  • Mittels der Antriebsvorrichtung 12 kann die Klinge 11 nach unten und nach oben geführt werden, um in jeder Bewegungsrichtung einen ersten bzw. einen zweiten Anteil des zugeführten Prozessguts 8A, 8B zu schneiden. Die Klinge 11 weist dazu eine obere Schneidekante 101 und eine untere Schneidekante 102 auf.
  • Für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens weist die Schneidevorrichtung 1 eine entsprechend ausgestaltete Steuereinheit 6, eine entsprechend ausgestaltete Ultraschalleinheit 4 und entsprechend ausgestaltete Ultraschallwandler 13a, 13b auf. Die Ultraschallwandler 13a, 13b sind mittels Kopplungselementen 15A, 15B mit der Klinge 11 verbunden, vorzugsweise verschweisst. Grundsätzlich ist jede beliebige Ankopplung bzw. jede beliebige Ausgestaltung der Kopplungselemente 15A, 15B zur Realisierung des erfindungsgemässen Verfahrens einsetzbar.
  • Die Ultraschalleinheit 4, die mit der Steuereinheit 6 kommuniziert und von dieser gesteuert wird, weist wenigstens einen Sendekanal 41 und vorzugsweise wenigstens einen Empfangskanal 42 auf. Ein Sendekanal 41 weist beispielsweise einen festen oder variablen Oszillator, beispielsweise einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO oder einen Synthesizer auf. Mittels des vorzugsweise steuerbaren Oszillators oder Synthesizers werden Frequenzen wahlweise im Ultraschallbereich erzeugt und einem vorzugsweise steuerbaren Ausgangsverstärker zugeführt, wie dies nachstehend mit Bezug auf Fig. 6 näher beschrieben wird.
  • Ein Sendekanal 41 der Ultraschalleinheit 4 kann mit mehreren Ultraschallwandlern 13A, 13B bzw. Energiewandlern 131 (siehe Fig. 6) verbunden sein, welche die elektrischen Ultraschallschwingungen in mechanische Ultraschallschwingungen umwandeln und über die Kopplungselemente 15A, 15B der Klinge 11 zuführen. Den Ultraschallwandlern 13A, 13B können identische Ultraschallsignale zugeführt werden. Alternativ können den Ultraschallwandlern 13A, 13B über Schalter Ultraschallsignale mit unterschiedlichen Frequenzen im Time Sharing Verfahren zugeführt werden. Weiterhin kann für jeden Ultraschallwandler 13A bzw. 13B ein gesonderter Sendekanal 41 vorgesehen werden.
  • Mittels der Steuereinheit 6 ist die Ultraschalleinheit 4 derart steuerbar, dass die Frequenz der Ultraschallwellen, die der Klinge 11 zugeführt werden, zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Arbeitsfrequenz f1a, f1b umgetastet werden kann. An beiden Ultraschallwandlern 13A, 13B können dieselben Frequenzen anliegen, die vorzugsweise innerhalb weniger Millisekunden umgetastet werden. Vorzugsweise wird die Ultraschallenergie der Klinge 11 hingegen über ein erstes Kopplungselement mit einer ersten Arbeitsfrequenz f1 und über ein zweites Kopplungselement mit einer zweiten Arbeitsfrequenz f2 zugeführt, die fest sind oder zwischen wenigstens zwei Arbeitsfrequenzen f1, f2 bzw. f1a, f1b; f2a, f2b umgetastet werden (siehe das Frequenzdiagramm in Fig. 7b). Den beiden Ultraschallwandlern 13A, 13B werden vorzugsweise unterschiedliche Frequenzen zugeführt, so dass auf der Klinge 11 ein Frequenzgemisch resultiert und Schwingungsknoten nicht oder nur sehr kurzfristig in Erscheinung treten.
  • Sofern nur ein Kopplungselement vorgesehen ist, so werden die Frequenzen f1, f2 bzw. f1a, f1b; f2a, f2b im Time Sharing Verfahren umgetastet. Alternativ können zwei oder mehrere Frequenzen einander überlagert und in die Klinge 11 eingekoppelt werden.
  • In Fig. 1 ist ferner gezeigt, dass in einer vorzugsweisen Ausgestaltung Ultraschallenergie von der Klinge 11 ausgekoppelt und über einen oder mehrere in der Ultraschalleinheit 4 vorgesehene Empfangskanäle 42 zur Steuereinheit 6 übertragen werden kann. Wie dies nachstehend beschrieben wird, werden die an der Klinge 11 abgetasteten Ultraschallschwingungen ausgewertet, um das Schwingungsverhalten der Klinge 11 bei den gewählten Prozessparametern zu ermitteln.
  • In Fig. 1 ist illustriert, dass Messungen während eines Schneidevorganges vorzugsweise mehrfach durchgeführt werden. Währenddem die Klinge 11 das Prozessgut 8A durchläuft, werden Signale sk1, ..., sk5 von der Klinge 11 in kurzen zeitlichen Abständen ausgekoppelt und über die Empfangskanäle 42 zur Steuereinheit 6 übertragen. Sofern ein optimales Schwingungsverhalten der Klinge 11 festgestellt wird, so werden die Prozessparameter nicht verändert. Sofern hingegen ein unvorteilhaftes Schwingungsverhalten festgestellt wird, so werden die Prozessparameter derart geändert, dass das Schwingungsverhalten schrittweise verbessert wird. Die Prozessparameter werden vorzugsweise nach jeder Abtastung von Schwingungen an der Klinge 11 und deren Auswertung nachjustiert. Während die Klinge 11 durch das Prozessgut 8 geführt wird, können somit kontinuierlich Verbesserungen und Anpassungen des Schneideprozesses vorgenommen werden. Die Schneideprozesse werden daher nicht nur in den Fällen optimiert, in denen sich vorangehendes und nachfolgendes Prozessgut unterscheiden. Korrekturen sind auch wirksam für Prozessgut, welches entlang dem Querschnitt bzw. der Schnittfläche unterschiedliche Eigenschaften aufweist.
  • Durch Optimierungen und Anpassungen wird nicht nur stets die beste Schneidequalität, sondern auch eine minimale Belastung der Schneidevorrichtung erzielt. Einerseits werden partielle Blockaden bei der Durchführung des Schnittes verhindert. Anderseits werden Energieverluste und eine entsprechende Erwärmung der Klinge 11 vermieden.
  • Ein optimales Schwingungsverhalten der Klinge 11 tritt im Bereich der Resonanzfrequenz der Klinge 11 auf. Als Ausgangspunkt für die Wahl der Prozessparameter kann daher die vom Hersteller angegebene Resonanzfrequenz der Klinge 11 gewählt werden. Je nach der Art des Prozessguts 8, welches von der Klinge 11 zu bearbeiten ist, wird sich die Resonanzfrequenz und somit das Schwingungsverhalten der Klinge 11 ändern, so dass mittels der in Fig. 1 illustrierten Messungen der Signale sk1, ..., sk5 eine stetige Optimierung durch Ermittlung der Resonanzfrequenz angestrebt wird, die bei der Bearbeitung des Prozessgut aktuell auftritt.
  • Insbesondere wird das globale Maximum innerhalb des Frequenzgangs der Klinge 11 ermittelt. Vorteilhaft können auch lokale Maxima ermittelt werden, die innerhalb des Frequenzgangs auftreten. In der Folge wird vorzugsweise eine Frequenzumtastung zwischen den ermittelten Maxima vorgenommen. Insbesondere wird darauf geachtet, dass die Arbeitsfrequenzen f1a, f1b bzw. f1, f2 derart gewählt und umgetastet werden, dass sich resultierende Schwingungsknoten swk nicht überlagern.
  • Die Arbeitsfrequenzen werden vorzugsweise derart gewählt, dass die erste und die zweite Arbeitsfrequenz f1a, f1b vorzugsweise in gleichem Frequenzabstand unterhalb und oberhalb der ermittelten Resonanzfrequenz f1 liegen, oder dass eine der Arbeitsfrequenzen f1a präzise bei der Resonanzfrequenz f1 und die zweite Arbeitsfrequenz f1b in einem Bereich liegt, in dem nur eine minimale Dämpfung auftritt.
  • Bei der Verwendung nur einer Resonanzfrequenz oder nur eines Maximums wird der Abstand zwischen der ersten Arbeitsfrequenz, die bei Resonanz oder bei einem Maximum auftritt, und der wenigstens einen zweiten Arbeitsfrequenz vorzugsweise so gering wie möglich und so gross wie erforderlich gehalten, so dass stationäre Wellenknoten vermieden werden und die Ultraschallenergie über die gesamte Schneide der Klinge auf das Prozessgut einwirken kann. Beispielsweise wird in diesem Fall ein Frequenzabstand im Bereich von 5 Hz bis 500 HZ gewählt. Vorteilhaft kann ein asymmetrisches Umschalten vorgesehen werden mit einer grösseren Verweildauer im Bereich der Frequenz, bei der höhere Amplituden auftreten.
  • Der Abstand zwischen den Arbeitsfrequenzen f1a und f1b liegt vorzugsweise in einem Bereich von 5 Hz bis 10 kHz. Je nach Frequenzgang der Klinge 11 werden kleinere oder höhere Frequenzabstände gewählt.
  • Die Umtastung der ersten und der zweiten Arbeitsfrequenz f1a, f1b bzw. f1, f2 erfolgt mit einer Umtastfrequenz, die vorzugsweise in einem Bereich von 2 Hz bis 500 Hz liegt. Die Umtastung erfolgt zeitlich symmetrisch oder asymmetrisch. Beispielsweise wird während eines längeren ersten Zeitintervalls die Resonanzfrequenz an die Klinge 11 angelegt, während für ein kürzeres zweites Zeitintervall eine davon abweichende Arbeitsfrequenz an die Klinge 11 angelegt wird. In diesem Fall soll mittels der Klinge 11 während des ersten Zeitintervalls eine optimale Einwirkung auf das Prozessgut 8 und während des zweiten Zeitintervalls eine Beseitigung von Hindernissen erzielt werden, die nach dem ersten Zeitintervall verbleiben.
  • Wie erwähnt kann das erfindungsgemässe Verfahren bei unterschiedlichen Schneidevorrichtungen oder auch bei weiteren Vorrichtungen mit anderen Ultraschall-Sonotroden eingesetzt werden.
  • Fig. 2 zeigt eine Schneidevorrichtung 1 mit vier Schneidewerkzeugen 11A, ..., 11D, einer Schubeinheit 95 mit einem Schubwerkzeug 94, zwei Antriebsvorrichtungen 12A, 12B für den Antrieb der Schneidewerkzeuge 11A, ..., 11D, und einen Fördertisch 3, auf dem das Prozessgut 8 abgelegt und mittels des Schubwerkzeugs 94 hin zu den Schneidewerkzeugen 11A, ..., 11D gestossen werden kann. Die Schneidevorrichtung 1 wird von einer Montagestruktur 5 gehalten.
  • Das Prozessgut 8 wird den vier Schneidewerkzeugen 11A, ..., 11D in zwölf zylinderförmigen oder stangenförmigen Einheiten 8A, ..., 8L parallel zugeführt, so dass jeweils drei der Prozessguteinheiten 8A, ..., 8L von einem der Schneidewerkzeuge 11A; ...; 11D gleichzeitig geschnitten werden. Frontseitig sind die parallel zugeführten Prozessguteinheiten 8A, ..., 8L von einem Niederhalter in einer gewünschten Position gehalten, während der Schnitt ausgeführt wird.
  • Die Schneideeinheit 1 umfasst die vier Schneidewerkzeuge 11A; ...; 11D, die je mit einem Ultraschallwandler 13 verbunden sind und von den Antriebsvorrichtungen 12A, 12B vertikal abgesenkt und wieder angehoben werden können, um Scheiben 89 von den Prozessguteinheiten 8 abzuschneiden. Die Scheiben 89 fallen auf ein Förderband 92 eines Aufnahmeförderers 9, welcher einen Antriebsmotor 91 aufweist.
  • Ferner ist eine Steuereinheit 6 vorgesehen, welche die Schneidevorrichtung 1, die Fördervorrichtungen und die Ultraschalleinheit 4 steuern kann. Die Steuereinheit 6 ist über eine erste Steuerleitung 61 mit der Antriebsvorrichtungen 12A, 12B, eine zweite Steuerleitung 62 mit den Fördervorrichtungen, eine dritte Steuerleitung 63 mit der Ultraschalleinheit 4 und eine vierte Steuerleitung 69 mit dem Abnahmeförderer 9 verbunden. Der Steuereinheit 6 sind über eine Tastatur und von Messgeräten 71, 72, wie Messungsformern und Sensoren, Informationen zuführbar, mittels denen der Schneideprozess und der Förderprozess gesteuert werden können.
  • Fig. 3 zeigt die demontierte Schneidevorrichtung 1 von Fig. 1, die zwei identisch aufgebaute Schneidemodule umfasst, die von einer Montageplatte gehalten sind, die Teil der Montagestruktur 5 der Vorrichtung ist. Jedes der Schneidemodule umfasst eine Antriebseinheit 12A; 12B und eine mit der Montagestruktur 5 verbundene Lagervorrichtung 128A; 128B, welche es erlaubt, einen zugehörigen ersten bzw. zweiten Lagerblock 129A, 129B vertikal abzusenken und wieder anzuheben. An jedem Lagerblock 129A; 129B sind je zwei Ultraschallwandler 13A, 13B bzw. 13C, 13D angeordnet, welche je über ein Kopplungselement 15 mit einem Schneidewerkzeug 11A, 11B, 11C oder 11D verbunden sind.
  • Die Schneidewerkzeuge 11A, ..., 11D umfassen je eine Klinge 11, an deren Rücken die in einem Bogen verlaufenden Kopplungselemente 15 angeschweisst sind, wodurch die Ultraschallenergie in die Klingen 11 eingekoppelt werden kann.
  • Fig. 4a zeigt, dass das Kopplungselement 15 mit einem Balken 130 verbunden, beispielsweise verschraubt ist, auf dem ein erster Energiewandler 131 angeordnet ist, dem Ultraschallenergie zugeführt wird, und auf dem ein zweiter Energiewandler 132 angeordnet ist, welcher auf der Klinge 11 auftretende Ultraschallwellen erfasst und in elektrische Signale wandelt, die zur Steuereinheit 6 übertragen werden. Der Balken 130, der zusammen mit den Energiewandlern 131, 132 einen Ultraschallwandler 13 bildet, weist beispielsweise frontseitig eine Schraube auf, die in eine Gewindebohrung in Kopplungsteil 15 eingedreht ist. Die Ultraschalleinheit 4 weist mehrere Sendekanäle 41 und mehrere Empfangskanäle 42 auf, so dass mehrere Ultraschallwandler 13 bedient werden können.
  • Die Energiewandler 131, 132 umfassen vorzugsweise je ein Piezoelement, welches zwischen zwei Elektroden, beispielsweise Metallplatten, eingeschlossen ist, von denen eine am Balken 130 anliegt und die andere mit einer elektrischen Anschlussleitung 401, 402 verbunden ist. Dem ersten Energiewandler 131 werden von einem Sendekanal 41 der Ultraschalleinheit 4 über die Anschlussleitung 401 elektrische Ultraschallsignale zugeführt. Der zweite Energiewandler 131 bzw. der Sensor 71 erfasst mechanische Ultraschallwellen von der Klinge 11 und wandelt diese in elektrische Ultraschallwellen um, die von der zweiten Anschlussleitung 402 einem Empfangskanal 42 der Ultraschalleinheit 4 zugeführt werden. Die empfangenen Ultraschallwellen werden gegebenenfalls verstärkt, gefiltert und gewandelt und einem Auswertemodul 600 in der Steuereinheit 6 zugeführt. Das Auswertemodul 600 ermittelt das aktuelle Schwingungsverhalten der Klinge 11 und vergleicht dieses mit Sollwerten, wonach Korrekturmassnahmen festgelegt werden. Beispielsweise wird festgestellt, dass wenigstens eine der Arbeitsfrequenzen zu verschieben ist, oder dass die Signalamplitude wenigstens einer der Arbeitsfrequenzen erhöht oder reduziert werden soll. Entsprechende Informationen werden vom Auswertemodul 600 an ein Steuermodul 60 abgegeben, welches die Arbeitsfrequenzen, die Umtastfrequenzen, die Umtastintervalle und die Signalamplitude bestimmt und entsprechende Steuersignale bereitstellt. Zur Steuerung des Auswertemoduls 600 und des Steuermoduls 60 ist ein Betriebsprogramm vorgesehen, welches den Programmablauf steuert und über Schnittstellen mit dem Anwender und externen Rechnern oder elektronischen Einheiten kommunizieren kann.
  • Die Prozessoptimierung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Wie erwähnt kann das Schwingungsverhalten der Sonotrode bzw. der Klinge 11 kontinuierlich überwacht und optimiert werden. Die Steuereinheit 6 kann jedoch auch selbsttätig versuchen, die Prozessparameter zu optimieren. Dazu kann die Steuereinheit 6 während des Arbeitsprozesses oder während Testphasen Testsignale TP an die Klinge 11 abgegeben und die Echosignale f1, f2, f3 auswerten. Die Auswertung der Testsignale und der Arbeitssignale bzw. Arbeitsfrequenzen, die während des Prozessverlaufs erfasst werden, kann in gleicher Weise erfolgen.
  • Fig. 4b zeigt exemplarisch ein Spektrogramm mit einem Ultraschallimpuls TP, der Schwingungen mit mehreren Frequenzen f1, f2 und f3 umfasst. Nachdem der Ultraschallimpuls an die Klinge 11 angelegt wurde, wird das Schwingungsverhalten der Klinge 11 bzw. der weitere Verlauf der Schwingungen f1, f2 und f3 untersucht. Es wird geprüft mit welchen Amplituden die einzelnen Schwingungen f1, f2 und f3 auftreten und wie rasch sie abklingen. Die Kurven df1, df2 und df3 zeigen die Verläufe des Abklingens der Schwingungen f1, f2 und f3. Nachdem das Auswertemodul 600 diejenigen Frequenzen festgestellt hat, an denen eine maximale Schwingungsamplitude und eine minimale Dämpfung auftreten, so werden die entsprechenden Informationen an das Steuermodul 60 übergeben.
  • Sofern die Frequenz f2 die Arbeitsfrequenz ist, so werden dem Testimpuls TP beispielsweise zwei Frequenzen f1, f3 hinzugefügt, welche unterhalb und oberhalb der Arbeitsfrequenz f2 liegen. Durch die Auswertung der Echosignale dieser drei Frequenzen f1, f2, und f3 kann in der Folge festgestellt werden, dass bei der Frequenz f1 eine höhere Amplitude und eine geringer Dämpfung auftreten. Das Auswertemodul 600 wird daher die Information an das Steuermodul 60 abgeben, wonach mit der Frequenz f1 als neuer Arbeitsfrequenz ein besseres Schwingungsverhalten der Klinge 11 erzielt werden kann. Das Steuermodul 60 kann die Frequenz f1 unmittelbar als neue Arbeitsfrequenz übernehmen oder die Informationen in den weiteren Evaluationsprozess einbeziehen. Vorzugsweise werden auch Parameter in die Evaluation einbezogen, welche die Eigenschaften oder erwartete Änderungen des Prozessguts 8 betreffen.
  • Fig. 5 zeigt Klinge 11 von Fig. 4a mit zwei Kopplungselementen 15A, 15B, an die Ultraschallwandler 13A, 13B angeschlossen sind. In die Ultraschallwandler 13A, 13B können grundsätzlich auch die Ultraschalleinheiten 4 teilweise oder vollständig integriert sein. Es ist gezeigt, dass die Klinge 11 von den Kopplungselementen 15A, 15B gehalten wird, die mit der Klinge 11 verschweisst sind. Die Kopplungselemente 15A, 15B ihrerseits sind von symbolisch gezeigten Haltearmen 121 gehalten, wie dies mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde.
  • Fig. 6 zeigt exemplarisch die mehrkanalige Ultraschalleinheit 4, die über ein Bussystem 63 mit der Steuereinheit 6 verbunden ist, um Daten auszutauschen. Die Ultraschalleinheit 4 weist zwei Sendekanäle 41 und zwei Empfangskanäle 42 auf.
  • Jeder Sendekanal 41 umfasst einen D/A Wandler 411, welcher die digitalen Kommandos der Steuereinheit 6 in analoge Steuersignale wandelt, die einem steuerbaren Oszillator 412 zuführbar sind. Stattdessen kann auch ein Synthesizer verwendet werden, welcher von der Steuereinheit 6 direkt steuerbar ist und gleichzeitig mehrere Arbeitsfrequenzen abgeben kann. Die von den steuerbaren Oszillatoren 412 abgegebenen Schwingungen werden je einem steuerbaren Verstärker 413 zugeführt, welche die Schwingungen mit wahlweiser Amplitude an den Energiewandler 131 abgibt. Die Steuerung der Verstärker 413 erfolgt wiederum durch die Steuereinheit 6 bzw. das Steuermodul 60. gleichzeitig können daher mehrere Ultraschallsignale mit ausgewählter Frequenz und ausgewählter Amplitude an die vorgesehenen Energiewandler 131 bzw. Ultraschallwandler 13 abgegeben werden.
  • Jeder Empfangskanal 42 umfasst vorzugsweise einen Eingangsverstärker 421, vorzugsweise eine daran anschliessende Filterstufe 422, die nur die interessierenden Frequenzen passieren lässt, sowie einen A/D Wandler, welcher die analogen Signale in digitale Daten wandelt. Die digitalen Daten werden dem Auswertemodul 600 übergeben, welches beispielsweise einen Signalprozessor umfasst und vorzugsweise zur Durchführung der Fourier-Transformation geeignet ist.
  • Fig. 7a zeigt die Klinge 11 von Fig. 5 mit den Ultraschallwandlern 13A, 13B, die über Leitungssysteme 40A, 40B mit einer Ultraschalleinheit 4 verbunden sind, die Ultraschallsignale abgibt und empfängt, wie dies mit Bezug auf die Figuren 4a, 4b und 6 beschrieben wurde.
  • Es ist gezeigt, dass die Schneidevorrichtung 1 in Betrieb ist und an der Schneidekante der Klinge 11 zwei stehende Wellen sw1, sw2 auftreten, die sich gegenseitig überlagern, so dass Wellenknoten swk der einen stehenden Welle sw1 innerhalb von Wellenbäuchen swb der anderen stehenden Welle liegen. Die beiden Wellen sw1, sw2 können einander überlagert oder alternierend zugeschaltet werden, so dass jeweils innerhalb wenigen Millisekunden, gegebenenfalls innerhalb eines Bruchteils einer Millisekunde jede Zone des zu schneidenden Prozessguts der maximalen Intensität der Ultraschallenergie ausgesetzt wird und ein optimaler Schnittverlauf gewährleistet wird. In Fig. 7c ist die erste stehende Welle sw1 mit Wellenknoten swk und Wellenbäuchen swb illustriert.
  • In Fig. 7a sind ferner Temperatursensoren 72, 73, vorzugsweise Infrarotsensoren, gezeigt mittels denen die Temperatur der Klinge 11 oder der Kopplungselemente 15A, 15B, insbesondere der Verbindungsstellen, überwacht werden kann. Sofern ein kritischer Temperaturanstieg festgestellt wird, kann die an die Klinge 11 abgegebene Leistung reduziert werden. Ferner kann ein Prüfverfahren durchgeführt werden, um fehlerhafte Prozessparameter festzustellen. Beispielsweise wird der Frequenzgang der Klinge 11 aufgenommen, um Verschiebungen der Resonanzfrequenzen festzustellen. Auf diese Weise kann rechtzeitig verhindert werden, dass die Klinge 11 beschädigt wird.
  • Fig. 7b zeigt ein Frequenzdiagramm mit Frequenzen f1, f1a, f1b, f2, f2a, f2b, die vom Steuermodul 60 einstellbar sind. Zur Ermittlung der Arbeitsfrequenzen wird vorzugsweise der Frequenzgang V der Klinge 11 aufgenommen, der in Fig. 7b exemplarisch gezeigt ist. Es ist ersichtlich, dass der Frequenzgang V vier Maxima aufweist, die oberhalb eines festgelegten Schwellwerts s liegen.
  • Die Maxima M1, ..., M4 liegen an den Stellen an denen die Ultraschallenergie optimal in die Klinge 11 eindringt und diese in Schwingung versetzen kann. Die mechanischen Schwingungen werden beispielsweise durch piezoelektrische Elemente in elektrische Signale gewandelt, deren Spannungsverlauf bzw. Amplituden in Fig. 7b eingezeichnet sind.
  • Die Frequenzen der oberhalb dieses Schwellwerts s liegenden Maxima sind als Arbeitsfrequenzen geeignet. M3 ist das globale Maximum, während M1, M2 und M4 lokale maximal sind. Die Arbeitsfrequenzen werden nun derart gewählt, dass sich die Wellenknoten und die Wellenbäuche der resultierenden stehenden Wellen überlagern. Im vorliegenden Beispiel wurden die Arbeitsfrequenzen f1 und f2 an den Stellen des globalen Maximums M3 und des lokalen Maximum des M2 gewählt. Alternativ könnten auch weiterhin Kombinationen der Frequenzen der genannten Maxima, z.B. M3 und M4 bzw. M1, M2 und M4, bzw. M1 und M4, gewählt werden. Alternativ wird eine Resonanzfrequenz f1 ermittelt, wonach beidseits der Resonanzfrequenz f1 Arbeitsfrequenzen f1a, f1b festgelegt werden, die nur einem oder beiden Ultraschallwandlern 13A, 13B zugeführt werden. Es ist gezeigt, dass die Maxima beispielsweise aufgrund der Änderung der Konsistenz des Prozessguts 8 wandern und die Arbeitsfrequenzen f1, f2 bzw. f1a, f1b entsprechend nachgeführt und nach dem erfindungsgemässen Verfahren stetig optimiert werden.
  • Vorzugsweise werden mehrere Rezepturen vorgesehen, mit denen bestimmte Prozessparameter für eine Klinge 11 und vorzugsweise ein bestimmtes Prozessgut 8 festgelegt sind. Prozessparameter sind beispielsweise die Arbeitsfrequenzen, die Schwingungsamplituden vorzugsweise für jede der Arbeitsfrequenzen, die Umtastfrequenz, die minimale und maximale Leistung, sowie die maximale Temperatur der Klinge 11. Rezepturen können dabei permanent eingestellt oder sequenziell oder zufällig ausgewählt und eingestellt werden. Durch Messung des Schwingungsverhaltens der Klinge 11 bei jeder Rezeptur können unverzüglich die optimalen Rezepturen ausgewählt und angewendet werden. In vorzugsweisen Ausgestaltungen erfolgt daher nicht nur eine Umschaltung eines einzelnen Prozessparameters, sondern einer Gruppe von Prozessparametern, gegebenenfalls einer gesamten Rezeptur. Vorzugsweise werden die Rezepturen anhand der erfindungsgemässen Messverfahren laufend optimiert und wieder gespeichert. Sofern Änderungen des Prozessguts 8 auftreten können daher unverzüglich geeignete Rezepturen angewendet werden.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Schneidevorrichtung (1), die zum Schneiden eines Prozessguts, insbesondere eines Nahrungsmittels (8), vorgesehen ist und die wenigstens ein Schneidewerkzeug in Form einer Klinge (11) aufweist, die mit einer Antriebsvorrichtung (12) angetrieben wird und der über wenigstens einen Energiewandler (13) und ein Kopplungselement (15) Ultraschallenergie von einer Ultraschalleinheit (4) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (6) vorgesehen ist, welche die Ultraschalleinheit (4) während des Schneidens des Prozessguts derart steuert, dass die Frequenz der über wenigstens ein Kopplungselement (15) der Klinge (11) zugeführten Ultraschallenergie zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Arbeitsfrequenz (fla, f1b) umgetastet wird oder dass die Ultraschallenergie der Klinge (11) über ein erstes Kopplungselement (15A) mit einer ersten Arbeitsfrequenz (f1) und über ein zweites Kopplungselement (15B) mit einer zweiten Arbeitsfrequenz (f2) zugeführt wird, wobei die Arbeitsfrequenzen (f1, f2) fest sind oder zwischen wenigstens zwei Frequenzwerten (fla, f1b; f2a, f2b) umgetastet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsamplituden der Klinge (11) vor oder während der Bearbeitung des Prozessguts (8) für mehrere Testfrequenzen oder Arbeitsfrequenzen gemessen werden und eine oder mehrere Frequenzen ermittelt werden, bei denen ein absoluter oder relativer Maximalwert der Schwingungsamplitude auftritt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfrequenzen (fla, f1b bzw. f1, f2) derart gewählt und umgetastet werden, dass sich resultierende Schwingungsknoten (swk) nicht überlagern.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
    a) dass die erste und die zweite Arbeitsfrequenz (fla, f1b bzw. f1, f2) vorzugsweise in gleichem Frequenzabstand unterhalb und oberhalb der ermittelten Frequenz liegen, bei der ein Maximalwert der Schwingungsamplitude auftritt, oder
    b) dass eine der Arbeitsfrequenzen (fla) bei der Frequenz liegt, bei der ein Maximalwert der Schwingungsamplitude auftritt,
    c) wobei der Abstand zwischen den Arbeitsfrequenzen (fla, f1b bzw. f1, f2) in einem Bereich von vorzugsweise 5 Hz bis 10 kHz gewählt wird.
  5. Verfahren einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umtastung zwischen der ersten und der zweiten Arbeitsfrequenz (fla, f1b bzw. f1, f2) mit einer Umtastfrequenz erfolgt, die vorzugsweise in einem Bereich von 2 Hz bis 500 Hz liegt und/oder dass die Umtastung zwischen der ersten und der zweiten Arbeitsfrequenz (fla, f1b bzw. f1, f2) für zeitlich symmetrisch oder asymmetrisch erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klinge (11) direkt oder über eines der Kopplungselemente (15A, 15B) mit einem Sensor (71), vorzugsweise einem Wandlerelement (132) verbunden ist, mittels dessen Schwingungen der Klinge (11) erfasst, gewandelt und als elektrische Signale zur Steuereinheit (6) übertragen und dort ausgewertet werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Klinge (11) während eines Intervalls mit Testsignalen einer oder mehreren Testfrequenzen (f1, f2, f3) beaufschlagt wird, wonach die resultierenden Schwingungen erfasst, gewandelt, gegebenenfalls anhand einer Fourier-Transformation bearbeitet und ausgewertet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfang von Ultraschallenergie von der Klinge (11) während Intervallen erfolgt, in denen keine Ultraschallschwingung an die Klinge (11) abgegeben wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude oder die Dauer des Abklingens der Schwingungen der Testfrequenzen ermittelt wird, wonach diejenigen Testfrequenzen als Arbeitsfrequenzen (fla, f1b bzw. f1, f2) verwendet werden, für die höhere Amplituden oder ein langsameres Abklingen der Schwingungen ermittelt wurde.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen Messungen durchgeführt und die Arbeitsfrequenzen (f1, f2 bzw. f1a, f1b; f2a, f2b) optimiert werden, während die Klinge (11) durch das Prozessgut (8) geführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallenergie kontinuierlich an die Klinge (11) abgegeben wird und dass ein entsprechender Anteil der abgegebenen Ultraschallenergie von der empfangenen Ultraschallenergie subtrahiert wird, um die Eigenschwingung der Klinge (11) zu ermitteln.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (72, 73) vorgesehen sind, mittels denen die Temperatur der Klinge (11) oder der Kopplungselemente (15A, 15B) gemessen wird und das bei Überschreiten einer festgelegten Maximaltemperatur die zugeführte Ultraschall-Leistung reduziert wird.
  13. Schneidevorrichtung (1) geeignet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-13 mit wenigstens einem Schneidewerkzeug in Form einer verschiebbaren oder rotierbaren Klinge (11), die mit einer Antriebsvorrichtung (12) verbunden ist und der über wenigstens einen Energiewandler (13) und ein Kopplungselement (15) Ultraschallenergie von einer Ultraschalleinheit (4) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (6) vorgesehen ist, mittels der die Ultraschalleinheit (4) während des Schneidens des Prozessguts derart steuerbar ist, dass die Frequenz der über nur ein Kopplungselement (15) zugeführten Ultraschallenergie zwischen wenigstens einer ersten und einer zweiten Arbeitsfrequenz (fla, f1b) umtastbar ist oder dass die Ultraschallenergie der Klinge (11) über ein erstes Kopplungselement (15A) mit einer ersten Arbeitsfrequenz (f1) und über ein zweites Kopplungselement (15B) mit einer zweiten Arbeitsfrequenz (f2) zuführbar ist, die fest sind oder zwischen wenigstens zwei Arbeitsfrequenzen (f1, f2 bzw. f1a, f1b; f2a, f2b) umtastbar ist.
  14. Schneidevorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (71, 72) und ein Wandler (41) vorgesehen sind, mittels denen Ultraschallenergie an der Klinge (11) abtastbar, wandelbar und zur Steuereinheit (6) übertragbar sind, in der ein Signalverarbeitungsmodul (60) vorgesehen ist, mittels dessen die von der Klinge (11) stammenden Signale auswertbar und entsprechende Messresultate bildbar sind und dass ein Steuermodul (600) vorgesehen ist, mittels dessen die Ultraschalleinheit (4) entsprechend den gewonnenen Messeresultaten steuerbar ist, um diese zu optimieren.
  15. Schneidevorrichtung (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Temperatursensor (72, 73) vorgesehen ist, der direkt oder indirekt mit der Klinge (11) mechanisch gekoppelt ist und der mit der Steuereinheit (6) gekoppelt ist, welche zur Überwachung der Temperatur der Klinge (11) oder des Kopplungselements (15A, 15B) sowie zur Steuerung der Ultraschalleinheit (4) geeignet ist, so dass bei erhöhten Temperaturen die Ultraschallleistung reduziert und/oder ein Alarmsignal abgegeben werden kann.
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